EP3029438A2 - Überwachungsvorrichtung für einen laserstrahl - Google Patents

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EP3029438A2
EP3029438A2 EP15003130.0A EP15003130A EP3029438A2 EP 3029438 A2 EP3029438 A2 EP 3029438A2 EP 15003130 A EP15003130 A EP 15003130A EP 3029438 A2 EP3029438 A2 EP 3029438A2
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EP
European Patent Office
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laser beam
monitoring device
sensor
laser
hollow profile
Prior art date
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EP15003130.0A
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English (en)
French (fr)
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EP3029438A3 (de
EP3029438B1 (de
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Georg Beidenhauser
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MBDA Deutschland GmbH
Original Assignee
MBDA Deutschland GmbH
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Publication date
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Publication of EP3029438A3 publication Critical patent/EP3029438A3/de
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    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
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    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
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    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0425—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using optical fibers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/0014—Monitoring arrangements not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to a monitoring device for a laser beam. Moreover, the invention relates to a laser device for emitting laser light, which comprises such a monitoring device. Finally, the invention relates to a method for monitoring a laser beam.
  • photosensitive sensors are known with which it can be checked with an appropriate number and arrangement, whether the laser beam is on the predetermined path.
  • many sensors may be necessary because each sensor has only a limited detection range. It is therefore necessary to place several sensors in such a way that their viewing areas complement each other in such a way that the total space to be monitored can be observed in the sum.
  • overlapping of the viewing areas is inevitably accepted without real redundancy being achieved to reduce the probability of failure of the system.
  • the object is achieved by the features of claim 1.
  • a monitoring device for a laser beam which comprises a body and a sensor.
  • the body has a passage opening, wherein it is provided in particular that the laser beam can be conducted through this passage opening.
  • the sensor is arranged on the body. According to the invention, it is provided that an impact of the laser beam on the body can be detected by the sensor. In this way, a monitoring of the laser beam can be realized such that in normal operation, the laser beam is passed through the passage opening. If, instead, the laser beam is deflected and hits the body, this is detected by the sensor. Thus, an error is recognizable.
  • the passage opening may have any shape.
  • the body is a hollow profile with a closed cross section.
  • the hollow profile can assume any geometric shapes.
  • the hollow profile is a light guide.
  • the use of a hollow profile as a body allows the reduction of the monitoring range of the laser beam to a two-dimensional plane.
  • the hollow profile in the two-dimensional plane forms a closed geometric figure, wherein it is provided that the laser beam impinges perpendicular to this two-dimensional plane during normal operation.
  • the laser beam is represented by a point in the two-dimensional plane.
  • the monitoring is thus limited to determining whether the point is within the geometric body or incident on the geometric body.
  • the monitoring is very simple, especially with regard to the monitoring of an entire three-dimensional space used in the prior art by a plurality of photosensitive sensors.
  • the hollow profile on a lateral surface wherein the sensor is arranged on the lateral surface.
  • the sensor is a light-sensitive sensor which detects a light coupling of the laser beam into the hollow profile.
  • the sensor it can be seen by the sensor when the laser beam impinges on the hollow profile.
  • at least one light of the wavelength of the laser beam can be detected with the sensor.
  • the hollow profile has a first end face and a second end face, wherein the second end face has a greater roughness than the first end face. Due to the different surface roughness, which are chosen in particular taking into account the refractive index of the material of the hollow profile, the laser beam can be coupled into the hollow profile. Thus, regardless of its angle of incidence into the body, the laser beam is always directed onto a predefined surface of the hollow profile. Since it is provided in particular that the sensor is arranged on the lateral surface of the hollow profile, the laser beam is advantageously directed to this lateral surface. Thus, in particular, it is possible that the body has an arbitrary shape, since the laser beam is always steerable on a predefined surface of the hollow profile.
  • the hollow profile is advantageously made of a photoconductive material, preferably made of acrylic glass. This allows a simple and cost-effective production of the hollow profile, at the same time a machining of surface roughness of the hollow profile is made possible.
  • acrylic glass is optimally suited for the light coupling of the laser beam.
  • the body is an electrical conductor.
  • the electrical conductor is advantageously formed into at least one turn.
  • the sensor in turn is designed to measure a resistance of the electrical conductor.
  • the body is preferably an electrical conductor which is damaged or severed upon impact of the laser beam.
  • the resistance of the This changes the conductor so that the sensor can detect whether it is damaged or destroyed by measuring the electrical resistance of the conductor. Again, it can be seen in this way, whether the laser beam has hit the body.
  • the detection of the electrical resistance can be effected either by measuring the resistance or by emitting a test signal, wherein in the latter case, a measure of the resistance can be determined on the basis of the test signal received after passing through the electrical conductor.
  • the electrical conductor is guided in a circle, so that a round through hole is present. This simplifies the manufacture and assembly of the trained as an electrical conductor body.
  • the body is an optical waveguide.
  • the optical waveguide comprises at least one glass fiber.
  • the optical waveguide is formed into at least one turn.
  • the sensor in turn is designed to receive a message sent to the optical waveguide.
  • the monitoring principle is analogous to the case of the electrical conductor.
  • the laser beam is directed perpendicular to a cross section of the winding, so that it passes through the through hole formed by the winding.
  • the laser beam is deflected, it strikes the optical waveguide and damages or destroys it.
  • the sensor can not or not correctly receive a message sent to the optical fiber.
  • the senor is also designed to emit the message in the optical waveguide, the sensor in particular periodically sends a message in the optical waveguide. If this message is not received or is not received correctly, it must be concluded that the optical waveguide is damaged and thus an error occurs during operation of the laser beam.
  • the advantage of using the optical waveguide is in particular that the monitoring device can not be influenced by external electromagnetic radiation. Likewise, the monitoring device itself does not emit electromagnetic radiation. Thus, the monitoring device is very robust against interference and can also be used in environments that must not be disturbed by electromechanical radiation.
  • the invention further comprises a laser device comprising a laser source and a previously mentioned monitoring device.
  • the laser source is designed to emit the laser beam through the passage opening of the body of the monitoring device.
  • the body has an enclosed cross section, the laser beam being emitted by the laser source in such a way that the laser beam intersects the cross section perpendicularly.
  • the laser device is thus very safe and reliable to operate, since an error case can be detected by the monitoring device.
  • the laser device is very simple and inexpensive to produce, since in particular the monitoring device is simple and inexpensive.
  • the invention relates to a method for monitoring a laser beam.
  • the method comprises the following steps: First, a laser beam is emitted from a laser source. The laser beam is passed through a passage opening of a body. In particular, a propagation of the laser beam takes place concentrically to a central axis of the passage opening. Subsequently, a detection of a coupling of the emitted laser beam into the body takes place. Alternatively or additionally, there is a detection of damage to the body by the emitted laser beam.
  • the two mentioned steps of recognition can be carried out alternatively or simultaneously. In any case, a deviation of a propagation direction of the laser beam can be seen, since this is no longer passed through the through hole but on the body. Thus, it can be seen that there is an error in the transmission of the laser beam.
  • FIG. 1 schematically shows a laser device 2, which comprises a laser source 14 and a monitoring device 1.
  • the monitoring device 1, an annular hollow section 3, which is made of acrylic glass.
  • the laser source 14 and the monitoring device 1 are mounted on a base plate 15 such that the laser source 14 emits a laser beam 6 through a through hole 5 of the hollow profile 3 of the monitoring device 1.
  • a fault is detected by the monitoring device 1, wherein a fault occurs when the laser beam 6 is not passed through the through hole 5 of the hollow section 3, but in particular impinges on the hollow section 3.
  • the hollow profile 3 has a first end face 10 and a second end face 11.
  • the first end face 10 faces the laser source 14.
  • the second end face 11 has a higher surface roughness than the first end face 10.
  • the hollow profile 3 has a lateral surface 9.
  • a sensor 4 is mounted, with the sensor 4 light of the same wavelength as the laser beam 6 is detectable. If the laser beam 6 pass through the passage opening 5 of the hollow profile 3, no light can be detected by the sensor 4.
  • FIG. 2 shows FIG. 2 the same structure as in FIG. 1 in which only the laser source 14 emits the laser beam 6 in a different direction.
  • the laser beam 6 is coupled into the hollow profile 3. Due to the different surface roughness between the first end face 10 and the second end face 11, the coupling takes place independently of an angle of incidence and a location at which the laser beam 6 impinges on the formed as a light guide hollow profile 3.
  • the coupled-in light of the laser beam 6 is directed onto the lateral surface 9 of the hollow profile 3.
  • the lateral surface 9 has a constant surface roughness, so that the light of the laser beam 6 evenly distributed on the lateral surface 9.
  • the sensor 4 can be placed anywhere on the lateral surface 9. It can therefore be determined that the laser beam 6 is no longer guided through the passage opening 5 of the hollow profile 3, so that an error has been detected.
  • the coupled-in light of the laser beam 6 is visible on the entire lateral surface 9 of the hollow profile 3, in particular it is not prescribed where the sensor 4 must be mounted. It is merely provided that the sensor 4 is arranged at an arbitrary position of the lateral surface 9. Likewise, a shape of the lateral surface 9 is not prescribed, as long as it has no cracks or edges and thereby the transmission of light is interrupted. Thus, in particular, the two-dimensional cross-section of the hollow profile 3 is arbitrary. An example of such arbitrary eligibility is in FIG. 3 shown.
  • FIG. 3 shows the same picture as FIG. 2 , wherein only the shape of the hollow profile 3 has been changed. It is therefore apparent that the hollow section 3 can be constructed very flexible and thus can be optimally adapted to external conditions. In particular, no symmetries of the hollow profile 3 are necessary, only the hollow profile 3 must have a closed cross-section. Thus, a maximum monitoring area is realized with minimal effort. Size and shape of the passage opening 5 is defined by the requirements for the maximum allowable beam deviation. The smaller this deviation may be, or the more accurately the laser beam 6 must follow the given path, the smaller must the through-hole 5 be. If the permissible deviation is the same in all directions, the passage opening 5 results in a circular passage opening.
  • the first embodiment a detection of an error occurred by light coupling of the laser beam 6 in the hollow section 3.
  • the laser beam 6 can damage the hollow section 3 or depending on the material used and the laser power used, destroy.
  • the first embodiment is not advantageously applicable.
  • a second and third embodiment are presented, which can be advantageously used even at very high powers of the laser beam 6.
  • FIG. 4 shows a laser device 2, the laser source 14 and a monitoring device 1 according to a second embodiment of Invention.
  • the laser source 14 and monitoring device 1 are mounted on a base plate 15.
  • the monitoring device 1 comprises an electrical conductor 7, which is formed into at least one turn. Thus, the winding forms a through opening 5.
  • the laser source 14 is set up to transmit a laser beam 6 perpendicularly through the passage opening 5 of the winding of the electrical conductor 7.
  • the sensor 4 is designed to determine an electrical resistance of the electrical conductor 7.
  • the sensor 4 is either designed to measure an electrical resistance of the body 7, or to determine the resistance indirectly by means of an emitted test signal.
  • the electrical resistance of the electrical conductor 7 is determined by emitting a test signal, then in particular it is merely provided that the resistance is determined in a binary manner. There is a distinction between a closed and a broken circuit. This means that it is assumed that a closed circuit, as long as an emitted test signal can be received. However, if this test signal can not be received, it is assumed that a broken circuit and thus damage to the electrical conductor 7.
  • the laser beam 6 is not passed through the passage opening 5 of the electrical conductor 7 as in the normal case, but the laser beam 6 impinges on the electrical conductor 7, then the laser beam 6 cuts through the electrical conductor 7. This is in FIG. 5 shown. This increases the electrical resistance of the electrical conductor 7, which can be recognized by the sensor 4.
  • a thickness of the electrical conductor 7 is matched to the intensity of the laser source 14 and / or the laser beam 6. This ensures that when the laser beam 6 impinges on the electrical conductor 7, a reliable and reliable separation of the electrical conductor 7 takes place.
  • the electrical conductor 7 is guided approximately circular in the second embodiment. Since the shape of the electrical conductor 7 whose electrical Resistance value is not affected, it is alternatively provided that the electrical conductor 7 is guided in any desired form, as long as a two-dimensional projection of the electrical conductor 7 results in a closed cross-section. In this case too, the permissible deviation of the laser beam from its path determines the maximum radius of the winding.
  • a third embodiment of the monitoring device 1 according to the invention is in the FIGS. 6 and 7 shown.
  • FIG. 6 shows a laser device 2 with a monitoring device 1 according to the third embodiment of the invention.
  • the laser device 2 comprises, in addition to the monitoring device 1, a laser source 14, wherein the laser source 14 and the monitoring device 1 are each mounted on a base plate 15.
  • the monitoring device 1 comprises a body formed as an optical waveguide 8.
  • the optical waveguide 8 is guided analogously to the electrical conductor 7 so that the optical waveguide 8 forms a turn. This winding thus defines the passage opening 5 of the optical waveguide 8.
  • the sensor 4 comprises a transmitting device 12 and a receiving device 13, wherein the transmitting device 12 is designed to couple a signal into the optical waveguide 8.
  • the receiving device 13 is set up to receive the signal coupled in by the transmitting device 12 from the optical waveguide 8.
  • the principle of the third embodiment follows the principle of the second embodiment, wherein instead of the electrical conductor 7, the optical waveguide 8 is used.
  • the optical waveguide 8 is formed in particular by a plurality of glass fibers.
  • the monitoring device 1 according to the third embodiment is advantageously not influenced by external electromagnetic radiation. Likewise, the monitoring device 1 according to the third embodiment does not pollute the environment itself with electromagnetic radiation. Since optical waveguides usually have a predefined minimum bending radius, provision is made in particular for the optical waveguide 8 to be guided spirally so that a circular projection of the optical waveguide 8 is present in a two-dimensional plane.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung (1) für einen Laserstahl (6), umfassend einen Körper (3, 7, 8) mit einer Durchgangsöffnung (5) und einem Sensor (4), der an dem Körper (3, 7, 8) angeordnet ist, wobei mit dem Sensor (4) ein Auftreffen des Laserstrahls (6) auf den Körper (3, 7, 8) erfassbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für einen Laserstrahl. Außerdem betrifft die Erfindung eine Laservorrichtung zum Aussenden von Laserlicht, die eine derartige Überwachungsvorrichtung umfasst. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Laserstrahls.
  • Technische Systeme, in denen Laserstrahlung verwendet wird, erfordern, dass sich dieser Laserstrahl auf einem zuvor festgelegten Weg ausbreitet. Verlässt der Strahl, beispielsweise in einem Fehlerfall, diesen zuvor festgelegten Weg, so kann es zu einem Funktionsausfall des Systems und/oder zu dessen Beschädigung kommen. Dieses kann sowohl durch direkte als auch indirekte, d. h. reflektierte, Laserstrahlung geschehen. Aus diesem Grund ist es notwendig zu überprüfen, ob sich der Laserstrahl auf dem zuvor festgelegten Weg befindet oder nicht.
  • Aus dem Stand der Technik sind lichtempfindliche Sensoren bekannt, mit denen bei entsprechender Anzahl und Anordnung überprüft werden kann, ob sich der Laserstrahl auf dem zuvor festgelegten Weg befindet. Abhängig von der Geometrie des zu überwachenden Raumes können dazu sehr viele Sensoren notwendig sein, da jeder Sensor nur einen begrenzten Erfassungsbereich aufweist. Es ist also notwendig, mehrere Sensoren so zu platzieren, dass sich deren Sichtbereiche so ergänzen, dass in der Summe der gesamt zu überwachende Raum beobachtet werden kann. Neben der Vielzahl von Sensoren werden dabei zwangsläufig Überschneidungen der Sichtbereiche in Kauf genommen, ohne eine wirkliche Redundanz zur Verminderung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems zu erreichen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Überwachungsvorrichtung für einen Laserstrahl bereitzustellen, die bei einfacher und kostengünstiger Fertigung eine sichere und zuverlässige Überwachung eines Laserstrahls ermöglicht.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Überwachungsvorrichtung für einen Laserstrahl, die einen Körper und einen Sensor umfasst. Der Körper hat eine Durchgangsöffnung, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Laserstrahl durch diese Durchgangsöffnung leitbar ist. Der Sensor ist an dem Körper angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mit dem Sensor ein Auftreffen des Laserstrahls auf den Körper erfassbar ist. Auf diese Weise ist eine Überwachung des Laserstrahls derart realisierbar, dass im Normalbetrieb der Laserstrahl durch die Durchgangsöffnung geleitet ist. Wird stattdessen der Laserstrahl ausgelenkt und trifft auf den Körper, so wird dieses von dem Sensor erkannt. Somit ist ein Fehlerfall erkennbar. Dabei kann die Durchgangsöffnung eine beliebige Form aufweisen.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Körper ein Hohlprofil mit geschlossenem Querschnitt ist. Dabei kann das Hohlprofil beliebige geometrische Formen annehmen. Besonders vorteilhaft ist das Hohlprofil ein Lichtleiter. Die Verwendung eines Hohlprofils als Körper erlaubt die Reduzierung des Überwachungsbereichs des Laserstrahls auf eine zweidimensionale Ebene. So bildet das Hohlprofil in der zweidimensionalen Ebene eine geschlossene geometrische Figur, wobei vorgesehen ist, dass der Laserstrahl im Normalbetrieb senkrecht auf diese zweidimensionale Ebene auftrifft. Somit ist der Laserstrahl durch einen Punkt in der zweidimensionalen Ebene repräsentiert. Die Überwachung beschränkt sich somit darauf, festzustellen, ob der Punkt innerhalb des geometrischen Körpers liegt oder auf dem geometrischen Körper auftrifft. Somit ist die Überwachung sehr einfach, insbesondere im Hinblick auf die im Stand der Technik verwendete Überwachung eines gesamten dreidimensionalen Raums durch eine Vielzahl von lichtempfindlichen Sensoren.
  • Vorteilhafterweise weist das Hohlprofil eine Mantelfläche auf, wobei der Sensor an der Mantelfläche angeordnet ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Sensor ein lichtempfindlicher Sensor ist, der eine Lichteinkopplung des Laserstrahls in das Hohlprofil erkennt. Somit ist für den Sensor erkennbar, wenn der Laserstrahl auf das Hohlprofil auftrifft. Dazu ist mit dem Sensor zumindest ein Licht von der Wellenlänge des Laserstrahls erkennbar.
  • Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass das Hohlprofil eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche aufweist, wobei die zweite Stirnfläche eine größere Rauigkeit als die erste Stirnfläche aufweist. Durch die unterschiedlichen Oberflächenrauigkeiten, die insbesondere unter Berücksichtigung des Brechungsindexes des Materials des Hohlprofils gewählt sind, ist der Laserstrahl in das Hohlprofil einkoppelbar. Somit wird der Laserstrahl unabhängig von dessen Einfallswinkel in den Körper immer auf eine vordefinierte Fläche des Hohlprofils gelenkt. Da insbesondere vorgesehen ist, dass der Sensor an der Mantelfläche des Hohlprofils angeordnet ist, wird der Laserstrahl vorteilhafterweise auf diese Mantelfläche gelenkt. Somit ist insbesondere möglich, dass der Körper eine beliebige Form aufweist, da der Laserstrahl stets auf eine vordefinierte Fläche des Hohlprofils lenkbar ist.
  • Das Hohlprofil ist vorteilhafterweise aus einem lichtleitenden Material, bevorzugt aus Acrylglas, gefertigt. Dieses erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung des Hohlprofils, wobei gleichzeitig eine Bearbeitung von Oberflächenrauigkeiten des Hohlprofils ermöglicht ist. Insbesondere eignet sich Acrylglas optimal zur Lichteinkopplung des Laserstrahls.
  • Alternativ ist der Körper ein elektrischer Leiter. Dabei ist der elektrische Leiter vorteilhafterweise zu zumindest einer Windung geformt. Der Sensor wiederum ist zur Messung eines Widerstands des elektrischen Leiters ausgebildet. Bei hohen Laserleistungen kann eine Einkopplung des Laserlichts in den Körper nicht mehr möglich sein, da die Intensität des Laserstrahls den Körper zerstören oder beschädigen würde. Somit ist der Körper bevorzugt ein elektrischer Leiter, der bei Auftreffen des Laserstrahls beschädigt oder durchtrennt wird. Durch die Formung des elektrischen Leiters zu zumindest einer Windung ist wiederum das zuvor beschriebene Prinzip erreicht, dass eine geschlossene zweidimensionale Form vorliegt, wobei der Laserstrahl die zweidimensionale Form unter Normalbedingungen im rechten Winkel schneidet. Sollte ein Fehlerfall vorliegen, so trifft der Laserstrahl auf den elektrischen Leiter, wodurch dieser beschädigt wird. Der Widerstand des Leiters wird dadurch verändert, sodass der Sensor durch die Messung des elektrischen Widerstands des Leiters erfassen kann, ob dieser beschädigt oder zerstört ist. Wiederum ist auf diese Weise erkennbar, ob der Laserstrahl den Körper getroffen hat. Die Erfassung des elektrischen Widerstands kann entweder durch eine Messung des Widerstands oder durch das Aussenden eines Testsignals erfolgen, wobei in letzterem Fall, ein Maß für den Widerstand anhand des nach Durchlaufen des elektrischen Leiters empfangenen Testsignals ermittelbar ist.
  • Besonders vorteilhaft ist der elektrische Leiter kreisförmig geführt, sodass eine runde Durchgangsöffnung vorhanden ist. Diese vereinfacht die Herstellung und Montage des als elektrischen Leiter ausgebildeten Körpers.
  • Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass der Körper ein Lichtwellenleiter ist. Besonders vorteilhaft umfasst der Lichtwellenleiter zumindest eine Glasfaser. Dabei ist der Lichtwellenleiter zu zumindest einer Windung geformt. Der Sensor wiederum ist zum Empfang einer in den Lichtwellenleiter gesendeten Nachricht ausgebildet. Dabei ist das Überwachungsprinzip analog zu dem Fall des elektrischen Leiters. Im Normalbetrieb ist der Laserstrahl senkrecht zu einem Querschnitt der Windung geleitet, sodass dieser durch die von der Windung geformte Durchgangsöffnung verläuft. Wird der Laserstrahl jedoch ausgelenkt, so trifft dieser auf den Lichtwellenleiter und beschädigt oder zerstört diesen. Damit kann der Sensor eine in den Lichtwellenleiter gesendet Nachricht nicht oder nicht korrekt empfangen. Besonders vorteilhaft ist der Sensor auch zum Aussenden der Nachricht in den Lichtwellenleiter ausgebildet, wobei der Sensor insbesondere periodisch eine Nachricht in den Lichtwellenleiter sendet. Sollte diese Nachricht nicht oder nicht korrekt empfangen werden, so ist auf eine Beschädigung des Lichtwellenleiters und damit auf einen Fehlerfall beim Betrieb des Laserstrahls zu schließen. Der Vorteil der Verwendung des Lichtwellenleiters liegt insbesondere darin, dass die Überwachungsvorrichtung nicht durch äußere elektromagnetische Strahlung beeinflussbar ist. Ebenso sendet die Überwachungsvorrichtung selbst keine elektromagnetische Strahlung aus. Somit ist die Überwachungsvorrichtung sehr robust gegen Störungen und kann auch in Umgebungen eingesetzt werden, die nicht durch elektromechanische Strahlung gestört werden dürfen.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin eine Laservorrichtung, die eine Laserquelle und eine zuvor genannte Überwachungsvorrichtung umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass die Laserquelle derart ausgebildet ist, den Laserstrahl durch die Durchgangsöffnung des Körpers der Überwachungsvorrichtung auszusenden. Insbesondere weist der Körper einen eingeschlossenen Querschnitt auf, wobei der Laserstrahl von der Laserquelle derart ausgesandt wird, dass der Laserstrahl den Querschnitt senkrecht schneidet. Die Laservorrichtung ist somit sehr sicher und zuverlässig zu betreiben, da durch die Überwachungsvorrichtung ein Fehlerfall erkannt werden kann. Gleichzeitig ist die Laservorrichtung sehr einfach und kostengünstig herstellbar, da insbesondere die Überwachungsvorrichtung einfach und kostengünstig aufgebaut ist.
  • Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Laserstrahls. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst wird ein Laserstrahl von einer Laserquelle ausgesandt. Dabei wird der Laserstrahl durch eine Durchgangsöffnung eines Körpers geleitet. Insbesondere erfolgt eine Ausbreitung des Laserstrahls konzentrisch zu einer Mittelachse der Durchgangsöffnung. Anschließend erfolgt ein Erkennen einer Einkopplung des ausgesandten Laserstrahls in den Körper. Alternativ oder zusätzlich dazu erfolgt ein Erkennen einer Beschädigung des Körpers durch den ausgesandten Laserstrahl. Die beiden genannten Schritte des Erkennens können alternativ oder gleichzeitig ausgeführt werden. In jedem Fall ist ein Abweichen einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erkennbar, da dieser nicht mehr durch die Durchgangsöffnung sondern auf den Körper geleitet wird. Somit ist erkennbar, dass ein Fehlerfall bei der Aussendung des Laserstrahls vorliegt.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist
    • Figur 1
    eine schematische Abbildung einer Laservorrichtung mit einer Überwachungsvorrichtung, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 2
    eine weitere schematische Abbildung der Laservorrichtung mit der Überwachungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 3
    eine schematische Abbildung der Laservorrichtung mit einer alternativen Überwachungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 4
    eine schematische Abbildung einer Laservorrichtung mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 5
    eine weitere schematische Abbildung der Laservorrichtung mit der Überwachungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
    Figur 6
    eine schematische Abbildung einer Laservorrichtung mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    Figur 7
    eine weitere schematische Abbildung der Laservorrichtung mit der Überwachungsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Figur 1 zeigt schematisch eine Laservorrichtung 2, die eine Laserquelle 14 und eine Überwachungsvorrichtung 1 umfasst. Dabei weist die Überwachungsvorrichtung 1 ein ringförmiges Hohlprofil 3 auf, das aus Acrylglas gefertigt ist. Die Laserquelle 14 und die Überwachungsvorrichtung 1 sind auf einer Grundplatte 15 derart montiert, dass die Laserquelle 14 einen Laserstrahl 6 durch eine Durchgangsöffnung 5 des Hohlprofils 3 der Überwachungsvorrichtung 1 aussendet. Dabei ist durch die Überwachungsvorrichtung 1 ein Fehlerfall erkennbar, wobei ein Fehlerfall dann vorliegt, wenn der Laserstrahl 6 nicht durch die Durchgangsöffnung 5 des Hohlprofils 3 geleitet wird, sondern insbesondere auf das Hohlprofil 3 auftrifft. Sollte der Laserstrahl 6 auf das Hohlprofil 3 auftreffen, so ist vorgesehen, dass der Laserstrahl 6 in das Hohlprofil 3 eingekoppelt wird. Dazu weist das Hohlprofil 3 eine erste Stirnfläche 10 und eine zweite Stirnfläche 11 auf. Die erste Stirnfläche 10 ist der Laserquelle 14 zugewandt. Außerdem ist vorgesehen, dass die zweite Stirnfläche 11 eine höhere Oberflächenrauigkeit als die erste Stirnfläche 10 aufweist.
  • Außerdem weist das Hohlprofil 3 eine Mantelfläche 9 auf. Auf dieser Mantelfläche 9 ist ein Sensor 4 montiert, wobei mit dem Sensor 4 Licht derselben Wellenlänge wie des Laserstrahls 6 detektierbar ist. Sollte der Laserstrahl 6 durch die Durchgangsöffnung 5 des Hohlprofils 3 verlaufen, so ist mit dem Sensor 4 kein Licht detektierbar.
  • Wird die Laserquelle 14 ausgelenkt oder der Laserstrahl 6 abgelenkt, so trifft der Laserstrahl 6 das Hohlprofil 3 und wird nicht mehr durch die Durchgangsöffnung 5 geleitet. Dieser Fall ist in Figur 2 gezeigt. Dabei zeigt Figur 2 denselben Aufbau wie in Figur 1, wobei lediglich die Laserquelle 14 den Laserstrahl 6 in eine andere Richtung aussendet.
  • Sobald der Laserstrahl 6 auf das Hohlprofil 3 auftrifft, wird der Laserstrahl 6 in das Hohlprofil 3 eingekoppelt. Durch die unterschiedlichen Oberflächenrauigkeiten zwischen der ersten Stirnfläche 10 und der zweiten Stirnfläche 11 erfolgt die Einkopplung unabhängig von einem Einfallswinkel und einem Ort, an dem der Laserstrahl 6 auf das als Lichtleiter ausgebildete Hohlprofil 3 auftrifft. Durch das Hohlprofil 3 wird das eingekoppelte Licht des Laserstrahls 6 auf die Mantelfläche 9 des Hohlprofils 3 geleitet. Dabei ist vorgesehen, dass die Mantelfläche 9 eine gleichbleibende Oberflächenrauigkeit aufweist, sodass sich das Licht des Laserstrahls 6 gleichmäßig auf der Mantelfläche 9 verteilt. Somit ist das Licht des eingekoppelten Laserstrahls 6 an jeder beliebigen Stelle der Mantelfläche 9 durch den Sensor 4 detektierbar. Dadurch kann der Sensor 4 an einer beliebigen Stelle auf der Mantelfläche 9 platziert werden. Es ist daher feststellbar, dass der Laserstrahl 6 nicht mehr durch die Durchgangsöffnung 5 des Hohlprofils 3 geleitet wird, sodass ein Fehlerfall erkannt wurde.
  • Da das eingekoppelte Licht des Laserstrahls 6 auf der gesamten Mantelfläche 9 des Hohlprofils 3 sichtbar ist, ist insbesondere nicht vorgeschrieben, wo der Sensor 4 angebracht sein muss. Es ist lediglich vorgesehen, dass der Sensor 4 an einer beliebigen Stelle der Mantelfläche 9 angeordnet ist. Ebenso ist eine Form der Mantelfläche 9 nicht vorgeschrieben, solange diese keine Sprünge oder Kanten aufweist und dadurch die Weiterleitung des Lichts unterbrochen wird. So ist insbesondere auch der zweidimensionale Querschnitt des Hohlprofils 3 beliebig wählbar. Ein Beispiel für eine derartige beliebige Wählbarkeit ist in Figur 3 gezeigt.
  • Figur 3 zeigt die gleiche Abbildung wie Figur 2, wobei lediglich die Form des Hohlprofils 3 verändert wurde. Es ist daher ersichtlich, dass das Hohlprofil 3 sehr flexibel aufgebaut werden kann und somit optimal an äußere Bedingungen angepasst werden kann. Dabei sind insbesondere keine Symmetrien des Hohlprofils 3 notwendig, lediglich muss das Hohlprofil 3 einen geschlossenen Querschnitt aufweisen. Somit ist mit einem minimalen Aufwand ein maximaler Überwachungsbereich realisiert. Größe und Form der Durchgangsöffnung 5 wird durch die Anforderungen an die maximal zulässige Strahlabweichung definiert. Je kleiner diese Abweichung sein darf, oder je genauer der Laserstrahl 6 dem vorgegebenen Weg folgen muss, desto kleiner muss die Durchgangsöffnung 5 sein. Ist die zulässige Abweichung in alle Richtungen gleich groß, ergibt sich die Durchgangsöffnung 5 zu einer kreisförmigen Durchtrittsöffnung.
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgte eine Erkennung eines Fehlerfalls durch Lichteinkopplung des Laserstrahls 6 in das Hohlprofil 3. Sollte jedoch eine optische Leistung des Laserstrahls 6 zu hoch für eine Lichteinkopplung sein, so kann der Laserstrahl 6 das Hohlprofil 3 beschädigen oder in Abhängigkeit des verwendeten Materials und der verwendeten Laserleistung, zerstören. In diesem Fall ist das erste Ausführungsbeispiel nicht vorteilhaft anwendbar. Hierzu werden ein zweites und drittes Ausführungsbeispiel vorgestellt, welche vorteilhafterweise auch bei sehr hohen Leistungen des Laserstrahls 6 verwendet werden können.
  • Figur 4 zeigt eine Laservorrichtung 2, die eine Laserquelle 14 und eine Überwachungsvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Wiederum sind Laserquelle 14 und Überwachungsvorrichtung 1 auf einer Grundplatte 15 montiert. Die Überwachungsvorrichtung 1 umfasst einen elektrischen Leiter 7, der zu mindestens einer Windung geformt ist. Somit bildet die Windung eine Durchgangsöffnung 5. Die Laserquelle 14 ist eingerichtet, einen Laserstrahl 6 senkrecht durch die Durchgangsöffnung 5 der Windung des elektrischen Leiters 7 zu senden. Der Sensor 4 ist ausgebildet, einen elektrischen Widerstand des elektrischen Leiters 7 zu bestimmen. Dazu ist der Sensor 4 entweder ausgebildet, einen elektrischen Widerstand des Körpers 7 zu messen, oder den Widerstand indirekt mittels eines ausgesandten Testsignals zu bestimmen.
  • Wird der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters 7 durch Aussenden eines Testsignals bestimmt, so ist insbesondere lediglich vorgesehen, dass der Widerstand binär bestimmt wird. Dabei wird zwischen einem geschlossenen und einem unterbrochenen Stromkreis unterschieden. Dieses bedeutet, dass von einem geschlossenen Stromkreis ausgegangen wird, solange ein ausgesandtes Testsignal empfangen werden kann. Sollte dieses Testsignal jedoch nicht empfangen werden können, so ist von einem unterbrochenen Stromkreis und damit einer Beschädigung des elektrischen Leiters 7 auszugehen.
  • Wird der Laserstrahl 6 nicht wie im Normalfall durch die Durchgangsöffnung 5 des elektrischen Leiters 7 geleitet, sondern trifft der Laserstrahl 6 auf den elektrischen Leiter 7 auf, so durchtrennt der Laserstrahl 6 den elektrischen Leiter 7. Dieses ist in Figur 5 gezeigt. Damit steigt der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters 7 an, was von dem Sensor 4 erkennbar ist.
  • Um ein sicheres und zuverlässiges Durchtrennen des elektrischen Leiters 7 durch den Laserstrahl 6 zu gewährleisten, ist eine Dicke des elektrischen Leiters 7 auf die Intensität der Laserquelle 14 und/oder des Laserstrahls 6 abgestimmt. So ist sichergestellt, dass bei Auftreffen des Laserstrahls 6 auf den elektrischen Leiter 7 eine sichere und zuverlässige Durchtrennung des elektrischen Leiters 7 erfolgt.
  • Der elektrische Leiter 7 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel annähernd kreisförmig geführt. Da die Form des elektrischen Leiters 7 dessen elektrischen Widerstandswert nicht beeinflusst, ist alternativ vorgesehen, dass der elektrischen Leiter 7 in jeder beliebigen Form geführt ist, so lange eine zweidimensionale Projektion des elektrischen Leiters 7 einen geschlossenen Querschnitt ergibt. Auch hier gilt insbesondere, dass die zulässige Abweichung des Laserstrahls von seinem Weg den maximalen Radius der Wicklung festlegt.
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 1 ist in den Figuren 6 und 7 gezeigt.
  • Figur 6 zeigt eine Laservorrichtung 2 mit einer Überwachungsvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Laservorrichtung 2 umfasst neben der Überwachungsvorrichtung 1 eine Laserquelle 14, wobei die Laserquelle 14 und die Überwachungsvorrichtung 1 jeweils auf einer Grundplatte 15 montiert sind.
  • Die Überwachungsvorrichtung 1 umfasst einen als Lichtwellenleiter 8 ausgebildeten Körper. Dabei ist der Lichtwellenleiter 8 analog zu dem elektrischen Leiter 7 so geführt, dass der Lichtwellenleiter 8 eine Windung bildet. Diese Windung definiert somit die Durchgangsöffnung 5 des Lichtwellenleiters 8. Der Sensor 4 umfasst eine Sendevorrichtung 12 und eine Empfangsvorrichtung 13, wobei die Sendevorrichtung 12 ausgebildet ist, ein Signal in den Lichtwellenleiter 8 einzukoppeln. Die Empfangsvorrichtung 13 ist eingerichtet, das von der Sendevorrichtung 12 eingekoppelte Signal aus dem Lichtwellenleiter 8 zu empfangen.
  • Wird der Lichtwellenleiter 8 von dem Laserstrahl 6 beschädigt, weil dieser, wie in Figur 7 gezeigt, auf den Lichtwellenleiter 8 auftrifft, so ist das Empfangen des von der Sendevorrichtung 12 eingekoppelten Signals durch die Empfangsvorrichtung 13 nicht mehr möglich. Somit ist auf eine Beschädigung des Lichtwellenleiters 8 und damit auf ein Auftreffen des Laserstrahls 6 auf den Lichtwellenleiter 8 rückzuschließen. Daher folgt das Prinzip des dritten Ausführungsbeispiels dem Prinzip des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei anstatt des elektrischen Leiters 7 der Lichtwellenleiter 8 verwendet wird. Der Lichtwellenleiter 8 ist insbesondere durch eine Vielzahl von Glasfasern gebildet.
  • Die Überwachungsvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist vorteilhafterweise nicht durch äußere elektromagnetische Strahlung beeinflussbar. Ebenso verunreinigt die Überwachungsvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die Umgebung nicht selbst mit elektromagnetischer Strahlung. Da Lichtwellenleiter zumeist einen vordefinierten minimalen Biegeradius aufweisen, ist insbesondere vorgesehen, dass der Lichtwellenleiter 8 spiralförmig geführt ist, sodass eine kreisförmige Projektion des Lichtwellenleiters 8 in einer zweidimensionalen Ebene vorhanden ist.
  • Sollte mit dem Laserstrahl 6 ein Durchtrennen des elektrischen Leiters 7 oder des Lichtwellenleiters 8 erfolgt sein, so sind Verbrennungsrückstände vorhanden. Damit ist es vorteilhaft, die Laservorrichtung 2 vor einer erneuten Inbetriebnahme zu reinigen, um Niederschläge auf optischen Bauteilen, wie Spiegeln oder Linsen, zu beseitigen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Überwachungsvorrichtung
    2
    Laservorrichtung
    3
    Hohlprofil
    4
    Sensor
    5
    Durchgangsöffnung
    6
    Laserstrahl
    7
    elektrischer Leiter
    8
    Lichtwellenleiter
    9
    Mantelfläche
    10
    Erste Stirnfläche
    11
    Zweite Stirnfläche
    12
    Sendevorrichtung
    13
    Empfangsvorrichtung
    14
    Laserquelle
    15
    Grundplatte

Claims (10)

  1. Überwachungsvorrichtung (1) für einen Laserstahl (6), umfassend einen Körper (3, 7, 8) mit einer Durchgangsöffnung (5) und einem Sensor (4), der an dem Körper (3, 7, 8) angeordnet ist, wobei mit dem Sensor (4) ein Auftreffen des Laserstrahls (6) auf den Körper (3, 7, 8) erfassbar ist.
  2. Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3, 7, 8) ein Hohlprofil (3) mit geschlossenem Querschnitt ist.
  3. Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (3) eine Mantelfläche (9) aufweist, wobei der Sensor (4) an der Mantelfläche (9) angeordnet ist.
  4. Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (3) eine erste Stirnfläche (10) und eine zweite Stirnfläche (11) aufweist, wobei die zweite Stirnfläche (11) eine größere Rauigkeit aufweist als die erste Stirnfläche (10).
  5. Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (3) aus einem optisch leitenden Material, insbesondere Acrylglas, gefertigt ist.
  6. Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3, 7, 8) ein elektrischer Leiter (7) ist, der zu zumindest einer Windung geformt ist, und der Sensor (4) zur Messung eines Widerstands des elektrischen Leiters (7) ausgebildet ist.
  7. Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (7) kreisförmig geführt ist, sodass eine runde Durchgangsöffnung (5) vorhanden ist.
  8. Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3, 7, 8) ein Lichtwellenleiter (8), insbesondere zumindest eine Glasfaser ist, der zu zumindest einer Windung geformt ist, und der Sensor (4) zum Empfang einer in den Lichtwellenleiter (8) gesendeten Nachricht ausgebildet ist.
  9. Laservorrichtung (2), umfassend eine Laserquelle (14) und eine Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserquelle (14) ausgebildet ist, den Laserstrahl (6) durch die Durchgangsöffnungen (5) des Körpers (3, 7, 8) der Überwachungsvorrichtungen (1) auszusenden.
  10. Verfahren zum Überwachen eines Laserstrahls, umfassend die Schritte
    - Aussenden eines Laserstrahls (6) von einer Laserquelle (14) durch eine Durchgangsöffnung (5) eines Körpers (3, 7, 8), und
    - Erkennen einer Einkopplung des ausgesandten Laserstrahls (6) in den Körper (3, 7, 8), oder
    - Erkennen einer Beschädigung des Körpers (3, 7, 8) durch den ausgesandten Laserstrahl (6).
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